Semicondutores orgânicos são uma classe de materiais que encontram aplicações em diversos dispositivos eletrônicos devido às suas propriedades únicas. Um atributo que influencia a propriedade optoeletrônica desses semicondutores orgânicos é a sua “energia de ligação ao exciton”, que é a energia necessária para dividir um exciton em seus constituintes negativos e positivos.



Uma vez que energias de ligação elevadas podem ter um impacto significativo no funcionamento de dispositivos optoelectrónicos, são desejáveis ​​energias de ligação baixas. Isso pode ajudar a reduzir as perdas de energia em dispositivos como células solares orgânicas.

Embora vários métodos para projetar materiais orgânicos com baixas energias de ligação tenham sido investigados, medir com precisão essas energias continua a ser um desafio, principalmente devido à falta de técnicas adequadas de medição de energia.

Avançando na pesquisa neste domínio, uma equipe de pesquisadores liderada pelo professor Hiroyuki Yoshida, da Escola de Pós-Graduação em Engenharia da Universidade de Chiba, no Japão, lançou agora luz sobre as energias de ligação de excitons de semicondutores orgânicos.

O estudo foi publicado on-line no The Journal of Physical Chemistry Letters . Ai Sugie da Escola de Pós-Graduação em Engenharia da Universidade de Chiba, o Dr. Keisuke Tajima do Centro de Ciência da Matéria Emergente da RIKEN, e o Prof. Prof. Yoshida na realização deste estudo.

O professor Yoshida diz:"Neste estudo, foi revelada uma natureza anteriormente imprevista das energias de ligação de excitons em semicondutores orgânicos. Dada a natureza fundamental de nossa pesquisa, esperamos efeitos persistentes e de longo prazo, visíveis e invisíveis, na vida real formulários."

A equipe primeiro mediu experimentalmente as energias de ligação de excitons para 42 semicondutores orgânicos, incluindo 32 materiais de células solares, sete materiais orgânicos de diodos emissores de luz e três compostos cristalinos de pentaceno.

Para calcular as energias de ligação do exciton, os pesquisadores calcularam a diferença de energia entre o exciton ligado e seu estado de “portador livre”. Enquanto o primeiro é dado pela “lacuna óptica”, ligada à absorção e emissão de luz, o último é dado pela “lacuna de transporte”, que denota a energia necessária para mover um elétron do nível de energia ligado mais alto para o nível de energia livre mais baixo. nível.

A determinação experimental do gap óptico envolveu experimentos de fotoluminescência e fotoabsorção. Enquanto isso, a lacuna de transporte foi calculada por meio de espectroscopia de fotoelétrons ultravioleta e espectroscopia de fotoelétrons inversa de baixa energia, técnica pioneira no grupo de pesquisa.

O uso desta estrutura permitiu à equipe de pesquisa determinar as energias de ligação dos excitons com alta precisão de 0,1 elétron-volts (eV). Os pesquisadores acreditam que este nível de precisão pode ajudar a discutir a natureza do exciton dos semicondutores orgânicos com uma confiança muito maior do que estudos anteriores.

Além disso, os pesquisadores observaram um aspecto inesperado da natureza das energias de ligação dos excitons. Eles descobriram que a energia de ligação do exciton é um quarto do bandgap de transporte, independentemente dos materiais envolvidos.

Os resultados deste estudo pretendem moldar os princípios fundamentais relativos à optoeletrônica orgânica e também têm aplicações potenciais na vida real. Por exemplo, espera-se que os princípios de concepção que regulam os dispositivos optoelectrónicos orgânicos mudem favoravelmente.

Além disso, dado o potencial destas descobertas para influenciar conceitos dentro da área, os investigadores acreditam que estas descobertas também serão provavelmente incluídas em livros didáticos futuros.

O professor Yoshida concluiu:"Nosso estudo contribui para o avanço da compreensão atual do mecanismo dos excitons em semicondutores orgânicos. Além disso, esses conceitos não se limitam apenas aos semicondutores orgânicos, mas também podem ser aplicados a uma ampla gama de materiais de base molecular, como como materiais bio-relacionados."

Mais informações: Ai Sugie et al, Dependence of Exciton Binding Energy on Bandgap of Organic Semiconductors, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c02863
Informações do diário: Jornal de Cartas de Físico-Química

Fornecido pela Universidade de Chiba